用于PCB行业的LDI设备发展状况

曲鲁杰 杜卫冲

（中山新诺科技股份有限公司，广东 中山 528437）

用于PCB行业的LDI设备发展状况

曲鲁杰 杜卫冲

（中山新诺科技股份有限公司，广东 中山 528437）

PCB行业向多层、高精度的HDI板、IC-载板方向发展，在这个领域里，传统曝光机已无法满足这种技术的需求，LDI正在替代传统曝光而迅速发展起来。文章介绍了当前在PCB行业中两种主流的LDI设备的技术以及发展状况。

激光成像；高密度互连；印制电路板；IC-载板

印制电路板（PCB）行业是电子信息产业中最重要的细分行业之一。2011年至2015年期间，全球PCB将保持6.5%的速度稳定增长，2015年整体规模将有望达到598亿美元。在全球 PCB产值分布中，亚洲占到全球产量的80%以上，其中，我国已成为全球 PCB第一大国，PCB企业数量世界第一。全球 PCB产值分布及变化图1示。

图1 全球 PCB产值分布及变化

然而，由于 PCB产业未形成完整的产业链条，造成了中国 PCB产业大而不强的困境。PCB生产所需的设备、仪器和原辅材料等关键配套产业均发展不足，虽然中低端设备已经可以替代进口，但是高端设备以及 PCB生产所需的主要物料一直为国外垄断，自给率较低。在我国成为电子消费第一大国的今天，大力发展 PCB配套行业，是我国PCB产业由大转强的必要途径，将成为未来我国PCB产业发展的重点。

随着PCB朝向高密度连接 HDI板、IC载板、刚挠结合板、多层板等趋势发展，传统的掩膜（Mask）曝光显影制程（Lithography）已面临生产技术瓶颈。为了解决良率与产出率的问题，新兴的无掩模直接光刻技术日益受到 PCB产业的重视，这种直接成像的数码影像设备将在未来数年之内，成为曝光制程技术的主流。

这种曝光技术与市场上的其它产品相比，具有更高的成品率和投资回报率。基于无掩模直接曝光成像技术，其在传统的干膜抗蚀剂上具有超高印刷速度，同时还能进行畸变校正。此外，一般光刻技术最好可达 25 μm的线宽，但无掩模直接光刻技术却可高达 8 μm甚至到3 μm的水平。除了前述优势，无掩模曝光设备，具有高产出、高良率、最低成本等特色。众多优势将使无掩模光刻设备受到PCB厂商的青睐。

2009年初中国台湾电路板协会（TPCA）曾经公布的数据显示，全球LDI设备需求总量约为6000台，截至2009年10月，总安装量约为550台，而且以每年140～150台的速度扩张中， 而在当时已有的数据中欣兴电子和富士通的安装量最大，均约占整个已安装量的32%；而相对中国大陆前10位的PCB厂家没有一家超过10台LDI的安装。

而事实上在过去几年的发展事态远快于TPCA的预测，由于近年来智能手机、便携式消费电子和封装载板的需求比重变大，印制电路板加速朝向高密度连接HDI板、多层板等趋势，对于PCB电路线宽及对位精度要求愈来愈高，传统的掩膜（Mask）曝光显影制程（Lithography），将面临生产技术瓶颈。为了解决良率与产出率等问题，激光直接成像技术越来越受到PCB产业的肯定，将逐渐成为PCB产业的主要制作手段，未来将完全取代传统曝光机，全球市场装机总量预估在30 000台。 到目前为止全球PCB厂商购买的LDI设备数量在加速成长，至2014年底全球LDI装机量已超到1600台，包括广东珠海的方正越亚现有LDI装机54台，深南电路18台，多家PCB大厂已经开始停止采购传统PCB曝光机，只评估和采购LDI设备， 并预测在未来十年里PCB生产线将全部用LDI取代传统曝光机。

当前LDI设备主要供应商为以色列的奥宝科技（Orbotech）、日本的ORC、FujiFilm、 Dainippon Screen和Hitachi Via Mechanics。国内厂家主要有新诺科技、大族激光、芯硕半导体等。其中市场占有量最大的为奥宝科技，全球市场占有量约60%（截至2014年12月统计数据）。同时越来越多的设备商开始进入此设备的开发和市场开拓，例如：美国Maskless、欧洲Appolon、日本Ushio。

在技术上主要分为两种技术，一种是以奥宝科技为主的单激光束转镜扫描成像技术，一种是以日本四大家为主采用的新诺公司梅文辉博士为主要发明人的DMD投影芯片多光束扫描成像技术。

图2所示为Orbotech的激光直接成像装备的结构示意图，由图1可知，该系统由UV 355 nm激光光源、声光调制系统（AOM）、光束整形系统、转镜系统、F-θ透镜系统、运动平台等组成。该技术是采用单一的激光光源先后经过光路的整形准直后进入声光调制器模块，该模块是利用声光相互作用原理，使激光束被超声波调制而形成光束的通断开关。利用转镜和F-θ透镜系统使得激光束垂直于运动平台的运动方向形成均匀扫描，再利用曝光图形信号同步控制声光调制器的通断扫描激光光束和机台的运动，可实现运动平台上基底表面不同位置的感光，实现光阻的图形转换。该系统是利用高功率单束激光光源，曝光功率强，精度高，焦深范围大，曝光均匀性较好，图形质量高。但也存在曝光速度受声光调制器的调制频率的限制，以及系统控制系统复杂，转镜系统、F-θ透镜系统都是非线性系统，加工难度大，也容易出现两端与中部光束能量不均匀的现象。由于受到光学系统及声光调制器的限制，无法再提高产速，也不宜扩展到大尺寸曝光、双面曝光、柔性曝光等应用领域。

图2 Orbotech的激光直接成像装备的结构示意图

图3所示为DMD激光直接成像装备的系统结构示意图，由图3可知，该系统是由405 nm的半导体激光光源、光源准直系统、DMD芯片、光学成像系统组成的光引擎及运动平台组成。半导体激光光源是由多个小功率激光器通过光纤耦合而成的高功率激光光源。DMD芯片为可编程微反射镜阵列组成，光成像系统是由上、下两组镜头及中间的微透镜阵列组成，微透镜阵列与DMD芯片上的微反射镜阵列一一对应，主要是为了缩小微反射镜反射光斑的尺寸。该系统是由激光光束经过准直扩束，以一定角度投射到空间光调制器DMD上，经过DMD后光束被阵列微反射镜调制成多束光，每束光单独控制后面的一个聚焦微镜，然后，光束以点阵光斑的形式汇聚到涂有光刻胶的硅片上。根据所需曝光的图形控制DMD芯片上的微反射镜阵列的多光束的通断，同时，计算机同步控制移动带有感光材料基板的工作平台进行图形面阵扫描，在基板的感光材料上形成所需图案，再通过引擎与引擎间或引擎自身对所扫描出的图形进行拼接，即可得到所需要的大面积曝光图案。该系统的光引擎是独立成像系统，应用灵活，可以采用多个光引擎形成高速曝光系统，形成量产设备。也可组成矩阵分布形成超大面积LDI曝光设备。像形成平板显示面板0代线这样超大面积的量产LDI设备。也容易实现高精度曝光、双面同时曝光、柔性材料上曝光的LDI设备，这种DMD系统的LDI设备更易于广泛应用于高精度多层PCB、大面积平板显示FPD、半导体封装行业。

图3 DMD激光直接成像装备的系统结构

当前国内主流的激光直接成像技术主要是采用新诺公司梅文辉博士为主要发明人的DMD投影芯片多光束斜扫描成像技术。无掩模光刻是一类不采用光刻掩模版的光刻技术，设计的图形可通过激光直接成像（LaserDirect Imaging，LDI）扫描到需要制备结构的基板上，从而省去光掩模板的制备。目前LDI技术分为三代：第一代LDI技术是直接激光束扫描或步进投影，优点是工艺简单，但数据效率低，难以向高端量产方向发展；第二代LDI技术为斜扫描和点阵列（相关专利的原始专利权人为球形半导体），优点是数据效率高，但如果只是斜扫描，线宽精度及形状精度受光点大小影响。如果是点阵列，其稳定性及焦深是弱点；第三代LDI技术为子像阵列扫描，由新诺科技独自拥有的全球技术专利，目前正在产品开发过程中，优点是数据效率高，同时解决点阵列稳定性及焦深的问题，弱点是对微透镜技术要求较高（新诺科技目前已解决这一关键性问题，并专利申报审查中）。

新诺科技以DMD芯片及微镜技术发明人梅文辉博士为主的北美技术团队，在原有的发明技术基础上，开发出了一系列用于半导体封装、平板显示、高精度多层PCB板、印刷网版用LDI设备，其技术水平已达到世界先进水平。多品种具有自己知识产权的LDI产品出口欧美、新加坡、中国台湾等的发达国家和地区。

用于半导体封装、LED及平板显示掩模板领域的LDI设备精度高达3 μm。

图4所示为世界上第一台双面同时曝光两边对位精度达5 μm的线宽精度25 μm的PCB板生产LDI设备。

图4 印制电路板用双面激光直接成像LDI设备

如图5所示为连续百米不间断生产的RTR卷对卷的挠性线路板生产的LDI设备，线宽精度可达15 μm。

图5 挠性板卷到卷激光直接曝光设备

如图6所示为高速量产型HDI板生产用的LDI设备，线宽精度可达30 μm。

图6 高速量产型HDI板生产用无掩模曝光设备

如图7所示为用于印刷行业的网版生产的LDI设备等。

图7 丝网（印刷）激光直接制版设备

现在LDI设备生产厂家，在光源上已经在采用UV LED芯片做光源，其曝光光谱宽度可囊括365 nm ～ 405 nm范围接近汞灯的谱线，这样由UV LED光源组成的DI设备，更能兼容现在的PCB生产的全制程，能真正做到全制程自由涨缩，提高高精度的PCB的产能和良率。但UV LED由于是面光源其光谱范围宽、光束发散角大，因此镜头分辨率及对比度很难与激光光源相比，所以其线宽精度还达不到激光光源的LDI设备水平。可以预计，未来的高精度PCB、HDI板、IC载板全制程将会是UV LED DI与LDI设备混合使用，达到最佳配合。

The development of LDI equipment for the PCB industry

QU Ru-jie DU Wei-chong

PCB industry is developing in the direction of multi-layer， high-precision， HDI， IC Substrate. In this area， the traditional exposure has been unable to meet the needs of this technology， so LDI exposure as an alternative has developed rapidly. This article describes the current technology and the development direction of the two mainstream LDI equipments in the PCB industry.

LDI； HDI； PCB； IC-Substrate

TN41

A

1009-0096（2015）11-0041-03